Giáo trình Vi mạch số lập trình (Nghề Điện tử công nghiệp)

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ THƯƠNG MẠI

GIÁO TRÌNH

Tên mơ đun: Vi mạch số lập trình
NGHỀ: ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP
TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP/CAO ĐẲNG NGHỀ
Ban hành kèm theo Quyết định số:

/QĐ-CĐCNPY, ngày

tháng năm 2018

của Hiệu trưởng trường Cao đẳng Công nghiệp và Thương mại

Vĩnh Phúc, năm 2018


MỤC LỤC

Trang
CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN ................................................................................ 2
BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ LẬP TRÌNH CỠ NHỎ ................................................... 4
1.1.Tổng quan về điều khiển lập trình: .............................................................................................4
1.1.1. Điều khiển nối cứng và điều khiển lập trình .......................................................................4
1.1.2.Cấu trúc của một bộ lậpi tình cỡ nhỏ ...................................................................................5
1.2.Thiết bị điều khiển lập trình ..................................................................................................... 11
1.2.1. Địa chỉ các ngõ vào/ ra..................................................................................................... 11
1.2.2. Phần chữ chỉ vị trí và kích thước của ơ nhớ. ..................................................................... 13
1.2.3. Ma trận Fast CONNECT Switch ...................................................................................... 14

1.2.4 Cấu trúc bộ nhớ ................................................................................................................ 15
1.3. Xử lí chương trình .................................................................................................................. 16
1.3.1. Vịng quét chương trình ................................................................................................... 16
1.3.2. Cấu trúc chương trình ...................................................................................................... 16
1.3.3. Phương pháp lập trình ...................................................................................................... 21
1.4. Cài đặt sử dụng phần mềm...................................................................................................... 22
1.4.1. Những yêu cầu với máy tính PC....................................................................................... 22
1.4.2. Cài đặt phần mềm lập trình ứng dụng ............................................................................... 24

BÀI 2: CÁC TỆP LỆNH CỦA DỮ LIỆU ............................................................ 26
2.1. Các liên kết logic .................................................................................................................... 26
2.1.1. Các lệnh vào/ra và các lệnh tiếp điểm đặc biệt.................................................................. 26
2.1.2. Các lệnh liên kết logic cơ bản .......................................................................................... 28
2.1.3. Liên kết các cổng logic cơ bản ......................................................................................... 31
2.2.4. Bài tập ứng dụng ............................................................................................................. 34
2.2. Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm ..................................................................................... 34
2.2.1. Lệnh Set(s) và Reset(r) .................................................................................................... 34
2.2.2. Các ví dụ ......................................................................................................................... 35
2.3.Timer ...................................................................................................................................... 40
2.3.1. On - Delay Timer (TON) ................................................................................................. 40
2.3.2. Retentive On - Delay Timer (TONR) ............................................................................... 53
2.4. Couter (Bộ đếm) ..................................................................................................................... 55
2.4.1. Bộ đếm lên (Counter up) .................................................................................................. 55


1
2.4.2. Bộ đếm lên/ xuống (Counter up - down) .......................................................................... 56

BÀI 3: CÁC PHÉP TỐN SỐ CỦA BỘ LẬP TRÌNH CỠ NHỎ .......................... 61
3.1.Chức năng truyền dẫn .............................................................................................................. 61

3.1.1. Truyền Byte, Word, Doubleword. .................................................................................... 61
Tạo Project trên ISE .................................................................................................................. 69
3.2. Chức năng so sánh.................................................................................................................. 74
3.2.1. Chức năng dịch chuyển .................................................................................................... 74
3.3. Đồng hồ thời gian ................................................................................................................. 104

BÀI 4:LẮP ĐẶT MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG LẬP TRÌNH CỠ NHỎ ........ 107
4.1. Giới thiệu ............................................................................................................................. 107
Cách nối dây ............................................................................................................................... 107
4.3. Các mô hình và bài tập ứng dụng .......................................................................................... 108
4.3.1. Điều khiển van điện từ 2 cuộn dây ................................................................................. 108
4.3.3 Điều khiển hệ thống cung cấp thuỷ lực ........................................................................... 114
4.3.4. Điều khiển hệ thống thơng gió ....................................................................................... 116
4.3.5. Điều khiển động cơ thuận nghịch ................................................................................... 119


2

CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN
Tên mơ đun: VI MẠCH SỐ LẬP TRÌNH (FPGA)
Mã mơ đun:
Thời gian thực hiện mơ đun: 75 giờ (Lý thuyết: 15 giờ; Thực hành: 57 giờ; KT: 3
giờ)
I. Vị trí, tính chất của mơ đun:
- Vị trí: Trước khi học mơ đun này cần hồn thành các môn học cơ sở nghề và một
số mô đun chuyên môn nghề như: PLC cơ bản, Kỹ thuật Vi điều khiển.
- Tính chất: Là mơ đun tự chọn trong chương trình đào tạo ngành/ nghề Điện tử
cơng nghiệp.
II.
Mục tiêu mơ đun:

- Về kiến thức:
+ Trình bày được nguyên lý hệ điều khiển lập trình cỡ nhỏ
+ Phân tích được cấu tạo phần cứng và nguyên tắc hoạt động của bộ lập trình cỡ
nhỏ.
- Về kỹ năng:
+ Thực hiện được một số bài tốn ứng dụng đơn giản trong cơng nghiệp.
+

Kết nối thành thạo phần cứng của bộ lập trình cỡ nhỏ, PC với thiết bị ngoại

vi.
Viết chương trình và nạp được chương trình vào bộ lập trình cỡ nhỏ để thực
hiện được một số bài toán ứng dụng đơn giản trong công nghiệp.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an toàn trong q trình học tập.
+

III. Nội dung mơ đun:
1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:
Thời gian

STT

Tên các bài trong mơ đun

Tổng
số

Lý
thuyết

Thực
hành,
thí
Kiểm
nghiệm,
tra
thảo
luận,
bài tập


3

1

Bài 1: Đại cương về điều khiển lập trình
cỡ nhỏ

2

2

0

0

15

4

10

1

1.1. Tổng quát về điều khiển lập trình
1.2. Thiết bị điều khiển lập trình.
1.3. Xử lý chương trình.
1.4. Cài đặt và sử dụng phần mềm.
2

Bài 2: Các tập lệnh của dữ liệu.
2.1. Các liên kết logic
2.2. Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm.
2.3. Timer.
2.4. Couter (Bộ đếm).

3

Bài 3: Các phép tốn số của bộ lập trình
cỡ nhỏ
3.1. Chức năng truyền dẫn.
3.2. Chức năng so sánh
3.3. Đồng hồ thời gian thực

30

4

25

1

4

Bài 4: Lắp đặt mơ hình điều khiển bằng bộ
lập trình cỡ nhỏ.
4.1. Giới thiệu.

28

5

22

1

75

15

57

3

4.2. Cách kết nối dây
4.3. Các mô hình và bài tập ứng dụng.
Cộng:

4

BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ LẬP TRÌNH CỠ NHỎ
Mục tiêu:
- Trình bày được cấu trúc và nhiệm vụ các khối chức năng của bộ lập trình
cỡ nhỏ.
- Thực hiện được sự kết nối giữa bộ lập trình cỡ nhỏ và các thiết bị ngoại vi.
- Mô tả được cấu trúc của chương trình bộ lập trình cỡ nhỏ
- Chủ động, sáng tạo và đảm bảo an tồn trong q trình học tập.
Nội dung chính:
1.1.Tổng quan về điều khiển lập trình:
1.1.1. Điều khiển nối cứng và điều khiển lập trình
Vi mạch khả trình gồm các dạng sau:
v SPLD (Simple Programmable Logic Device) bao gồm các loại IC khả

trình PROM, PAL, PLA, GAL. Đặc điểm chung của nhóm IC này là
chứa số lượng cổng tương đương vài chục (PROM) đến vài trăm
(PAL, GAL) cổng.
v CPLD (Complex Programmable Logic Device) là IC khả trình phức
tạp thường được ghép từ nhiều SPLD trên một chip đơn. Số lượng
cổng tương đương của CPLD đạt từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn
cổng.
v FPGA (Field – Programmable Gate Array) là IC khả trình được cấu
trúc từ mảng các khối logic lập trình được.
PROM (Programmable Read – Only Memory) được phát minh bởi Wen
Tsing Chow năm 1956 khi làm việc tại Arma Division của công ty American
Bosch Arma tại Garden, New York. PROM được chế tạo theo đơn đặt hàng từ
lực lượng không quân Mỹ lúc bấy giờ với mục đích có được một thiết bị lưu
trữ các tham số về mục tiêu một cách an toàn và linh động. Thiết bị này dùng
trong máy tính của hệ thống phóng tên lửa Atlas E/F và được giữ bí mật trong

vòng vài năm trước khi Atlas E/F trở nên phổ biến. PROM là vi mạch lập
trình đầu tiên và đơn giản nhất trong nhóm các vi mạch bán dẫn có thể lập
trình được (PLD – Programmable Logic Device).
PAL (Programmable Array Logic) ra đời cuối những năm 1970. Cấu trúc
của PAL kế thừa cấu trúc của PROM, sử dụng hai mảng logic nhưng nếu như
ở các PROM mảng OR là mảng lập trình được thì ở PAL mảng AND lập trình
được, cịn mảng OR được gắn cứng, nghĩa là các thành phần tích có thể thay
đổi nhưng tổ hợp của chúng sẽ cố định, cải tiến này tạo sự linh hoạt hơn trong


5

việc thực hiện các hàm khác nhau. Ngoài ra cấu trúc PAL còn phân biệt với
PROM là ở mỗi đầu ra của mảng OR lập trình được được dẫn bởi khối logic
gọi là Macrocell.
PLA (Programmable Logic Array) ra đời năm 1975, và là chip lập trình
thứ hai sau PROM. Cấu trúc của PLA không khác nhiều so với cấu trúc của
PAL, ngoại trừ khả năng lập trình ở cả hai ma trận AND và OR. Nhờ cấu trúc
đó mà PLA có khả năng lập trình linh động hơn, nhưng bù lại tốc độ của PLA
thấp hơn nhiều so với PROM và PAL và các sản phẩm cùng loại. Thực tế
PLA được ứng dụng khơng nhiều và nhanh chóng bị thay thế bởi những công
nghệ mới hơn như GAL, CPLD,…
GAL (Generic Array Logic) được phát triển bởi công ty Lattice
Secmiconductor vào năm 1983. Cấu trúc của GAL không khác biệt PAL
nhưng thay vì lập trình sử dụng cơng nghệ cầu chì nghịch thì GAL dùng cơng
nghệ PROM CMOS xóa bằng điện, chính vì vậy mà đơi khi tên gọi GAL ít
được sử dụng, mà còn gọi là PAL được cải tiến.
Tất cả các chip khả trình PROM, PAL, GAL có khuyết điểm là thiết kế
đơn giản, chi phí thấp cho sản xuất cũng như thiết kế, có thể chuyển dễ dàng
từ công nghệ này sang công nghệ khác. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là tốc

độ làm việc thấp, số lượng cổng logic tương đương nhỏ, do đó khơng đáp ứng
được những thiết kế phức tạp đòi hỏi nhiều tài nguyên và tốc độ cao hơn,
chính vì vậy mà CPLD (Complex Programmable Logic Devices) ra đời.
CPLD được Altera tiên phong nghiên cứu và chế tạo đầu tiên, nhằm tạo
ra những IC khả trình dung lượng lớn như MAX5000, MAX7000. Sau sự
thành cơng của hãng Altera, thì một loạt các hãng khác cũng bắt tay vào
nghiên cứu chế tạo CPLD như Xilinx với các dòng sản phẩm như họ CPLD
XC95xx, Lattice với họ ISP Mach 4000, ISP March XO,…
Số lượng cổng của CPLD ngày càng trở nên nhỏ cho những ứng dụng
lớn và phức tạp hơn. Năm 1985, công ty Xilinx đưa ra ý tưởng hồn tồn
mới, đó là kết hợp thời gian hoàn thành sản phẩm và khả năng điều khiển
được của PLD với mật độ và ưu thế về chi phí của Gate Array để tạo ra FPGA
(Field Programmable Gate Array). Hiện nay, Xilinx vẫn là nhà sản xuất chip
FPGA số một trên thế giới. FPGA có cấu trúc và hoạt động phức tạp hơn
CPLD.
1.1.2.Cấu trúc của một bộ lậpi tình cỡ nhỏ
Trong phần này trình bày cấu trúc của một số loại IC khả trình thuộc
dịng SPLD như PAL, GAL, PLA.
PAL:


6

PAL được cấu trúc từ các mảng AND lập trình được và các mảng OR
được gắn cứng, đồng thời mỗi đầu ra của mảng OR lập trình được dẫn bởi
khối logic gọi là Macrocell như trong hình 1.1.

Hình 1.1 – Cấu trúc PAL
Hình 1.2 minh họa cho ta thấy một macrocell (MC). Mỗi macrocell chứa
một flip–flop, bộ mux2 và mux8 và cổng logic ba trạng thái. Tín hiệu điều

khiển của mux4 có thể được lập trình để cho phép dẫn tín hiệu lần lượt qua
các đầu vào 0, 1, 2, 3 của bộ mux4 và gửi ra ngoài cổng giao tiếp IO. Tùy
thuộc vào cấu hình này mà tín hiệu có thể được gửi ra ngồi IO hay khơng.


7

Hình 1.2 – Cấu trúc Macrocell
Nhờ có cấu trúc macrocell mà PAL có thể được sử dụng khơng những để
thực hiện các hàm logic tổ hợp mà cả các hàm logic tuần tự.
PLA:
Cấu trúc PLA khác cấu trúc PAL là ở chỗ PLA có thể lập trình ở cả hai
ma trận AND và ma trận OR (hình 1.3).

Hình 1.3 – Cấu trúc PLA


8

GAL
Như đã trình bày ở phần 1.1, thì cấu trúc của GAL khơng khác biệt PAL,
nhưng thay vì lập trình sử dụng cơng nghệ cầu chì nghịch thì GAL sử dụng
cơng nghệ PROM CMOS xóa bằng điện, do đó GAL cho phép lập trình lại
giống như EEPROM.


9

Hình 1.4 – Cấu trúc họ vi mạch GAL
Cấu trúc cơ bản của CPLD:

Mục tiêu: trình bày cho người học hiểu rõ cấu trúc cơ bản của họ vi
mạch khả trình CPLD.

Hình 1.5 – Cấu trúc cơ bản của CPLD
Thiết bị khả trình phức tạp CPLD (Complex PLD) có mật độ logic cao
hơn so với các PLD đơn giản đã xem xét ở phần trên. CPLD bao gồm nhiều
mạch logic, mỗi mạch có thể coi là một SPLD. Trong một mạch đơn chỉ thực
hiện các chức năng logic đơn giản. Các chức năng logic phức tạp cần số
lượng khối nhiều hơn, sử dụng ma trận liên kết chung giữa các khổi để tạo kết
nối. CPLD thường dùng để điều khiển ghép cổng phức tạp ở tốc độ rất cao
(5ns, tương đương với 200MHz). Cấu trúc cơ bản của CPLD được minh họa
trong hình 1.5.
CPLD có cấu trúc đồng nhất gồm nhiều khối chức năng "Function
Block" được kết nối với nhau thông qua một ma trận kết nối "FastCONECT


10

Switch matrix". Mỗi khối function block gồm có một khối logic - gồm các
dạng tích AND và OR sắp xếp giống PLA hoặc PAL, cho phép thực hiện các
hàm logic tổ hợp, và nhiều khối MC (Macrocell) có chứa tài nguyên là các
Trigơ cho phép xây dựng các thanh ghi và mạch tuần tự. Phần lõi bên trong
của CPLD được nối ra bên ngồi thơng qua các khối vào ra I/O cho phép thiết
lập chức năng cho các chân của IC có chức năng vào hoặc ra hoặc vừa là chân
vào vừa là chân ra, ngồi ra cịn có thể thiết lập các chân I/O này làm việc ở
các mức logic khác nhau, có điện trở pull-up hoặc pull-down,...
Với cấu trúc đồng nhất, giá thành rẻ, tính năng khá mạnh, dễ sử dụng nên
CPLD đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế, giúp cho nhà sản
xuất phát triển nhanh sản phẩm của mình với giá thành rẻ. Đặc biệt hiện nay
các hãng đã phát triển các họ CPLD với tính năng rất mạnh, cơng suất tiêu thụ

thấp, chúng đang được sử dụng rất nhiều để phát triển các sản phẩm điện tử,
viễn thông, công nghệ thông tin, nhất là trong các thiết bị cầm tay, di động…
Trong thực tế rất có nhiều loại CPLD khác nhau, của các hãng khác
nhau, và đã được phát triển với nhiều chủng loại, thế hệ CPLD khác nhau.
Cấu tạo, dung lượng, tính năng, đặc điểm, ứng dụng… của mỗi loại CPLD
cũng rất khác nhau. Trong giáo trình này khơng đi sâu trình bày cấu tạo cụ thể
của tất cả các họ CPLD, mà chỉ trình bày kiến trúc chung đơn giản nhất của
CPLD. Khi sử dụng cụ thể loại CPLD nào, người học nên tham khảo các tài
liệu khác, nhất là tham khảo các tài liệu kỹ thuật được cung cấp kèm theo cấu
kiện do các hãng đưa ra (datasheet). Các hãng điện tử nổi tiếng trên thế giới
đang sở hữu, phát triển, cung cấp các loại linh kiện CPLD là Xilinx, Altera…
Cấu trúc cơ bản của FPGA:


11

Hình 1.6 – Cấu trúc của FPGA
Hình 1.6 trình bày cấu trúc tổng quan nhất cho các loại FPGA hiện nay.
Cấu trúc chi tiết và tên gọi của các thành phần có thể thay đổi tùy theo các
hãng sản xuất khác nhau, nhưng về cơ bản FPGA được cấu thành từ các khối
logic (Logic Block), số lượng của các khối này thay đổi từ vài trăm đến vài
chục nghìn, và được bố trí dưới dạng ma trận, chúng được kết nối với nhau
thông qua hệ thống các kênh nối khả trình. Hệ thống này cịn có nhiệm vụ kết
nối với các cổng giao tiếp vào ra (IO_PAD) của FPGA. Số lượng các chân
vào ra thay đổi từ vài trăm đến hàng nghìn chân.
Bên cạnh các thành phần chính đó, những FPGA cỡ lớn cịn được tích
hợp cứng những khối thiết kế sẵn mà thuật ngữ gọi là Hard IP cores, các IP
cores này có thể là các bộ nhớ RAM, ROM, các khối thực hiện phép nhân,
khối thực hiện phép xử lý tín hiệu số (DSP),…bộ vi xử lý cỡ nhỏ và vừa như
Power PC hay ARM.

1.2.Thiết bị điều khiển lập trình
1.2.1. Địa chỉ các ngõ vào/ ra.
Cấu trúc cơ bản của họ CPLD XC9500 được mơ tả trong hình 2.1.


12

Hình 2.1 – Cấu trúc họ CPLD XC9500
Mỗi khối chức năng (Function Block: FB) được cho trong hình 2.1 bao
gồm 18 macrocell độc lập nhau, mỗi macrocell có thể thực thi các hàm kết
hợp hoặc thanh ghi.
Mỗi khối FB có bộ nhận xung clock, kết nối đến ngõ ra và set/reset các
tín hiệu. Các FB tạo ra 18 ngõ ra kết nối tới ma trận Fast CONNECT switch.

.

Hình 2.2 – Khối FB của XC9500


13

Hình 2.3 – Cấu trúc macrocell bên trong khối FB
1.2.2. Phần chữ chỉ vị trí và kích thước của ơ nhớ.
Khối IO (IOB) giao tiếp gữa các logic bên trong và các chân người dùng
bên ngoài. Mỗi IOB bao gồm bộ đệm ngõ vào, bộ lái, bộ mux ngõ ra và bộ
điều khiển tiếp đất người dùng có thể lập trình được (hình 2.4).
Bộ đệm ngõ vào tương thích với chuẩn CMOS 5V, TTL 5V và các mức
tín hiệu 3.3V. Bộ đệm ngõ vào sử dụng điện áp cung cấp bên trong 5V
(VCCINT) để đảm bảo ngưỡng ngõ vào là hằng số và không khác với điện áp
VCCIO.

Ngõ ra kết nối có thể được tạo ra từ một trong bốn lựa chọn: tín hiệu
được tạo ra từ macrocell, các tín hiệu OE tồn cục, ln ln là mức “1” hoặc
ln ln mức “0”. Có hai ngõ vào kết nối tồn cục cho thiết bị với 144
macrocell, và bốn ngõ vào kết nối toàn cục kết nối tới các thành phần. Cả hai
cực của bộ điều kiển ba trạng thái của các chân (GTS) có thể được sử dụng
trong thiết bị.


14

Hình 2.4 – Khối IO và kết nối ngõ ra của CPLD XC9500
1.2.3. Ma trận Fast CONNECT Switch
Ma trận Fast CONNECT switch kết nối các tín hiệu tới các ngõ vào FB
(hình 2.5). Tất các các ngõ IOB (tương ứng với các chân ngõ vào người dùng)
và tất cả các ngõ ra lái ma trận Fast CONNECT.


15

Hình 2.5 – Ma trận Fast CONNECT Switch
1.2.4 Cấu trúc bộ nhớ
Lập trình trong hệ thống:
XC9500 được lập trình trong hệ thống với chuẩn JTAG 4 chân (JTAG:
Joint Test Group). Khi lập trình, tất cả các port ngõ vào trong khối I/O được
thiết lập ở mức cao “H”.


16

Hình 2.6 – Kết nối CPLD với chuẩ JTAG

1.3. Xử lí chương trình
1.3.1. Vịng qt chương trình

Hình 3.1 – Cấu trúc chung của họ FPGA Spartan 3E
FPGA spartan 3E được cấu trúc từ các thành phần sau:
v CLBs (Configuration Logic Blocks): là các khối chứa các LUTs
(Look Up Tables) để thực thi các phép lưu trữ logic như flip-flop hay
chốt, thực thi các hàm logic.
v IOBs (Input/Output Blocks): là các khối điều khiển dữ liệu giữa các
chân I/O và các logic bên trong của thiết bị. Mỗi IOB hỗ trợ dữ liệu
hai chiều hoạt động ở ba trạng thái.
v Khối RAM: cung cấp cho việc lưu trữ dữ liệu với các khối RAM
18Kbit
v Khối Multiplier : Tính tốn các số nhị phân 18 bit
v Khối DCM (Digial Clock Manager): cung cấp các giải pháp đo, trễ,
nhân, chia và dịch pha các tín hiệu clock
1.3.2. Cấu trúc chương trình
Khối logic khả trình của FPGA của hãng Xilinx là các khối CLB. CLB là
phần tử cơ bản cấu thành FPGA, là nguồn tài nguyên logic chính tạo nên các
mạch logic.
Mỗi CLB được cấu thành từ 4 Slice, mỗi Slice lại được cấu thành từ 2
LUT (Look Up Tables). Phân bố của các CLB được thể hiện ở hình 3.2.


17

Hình 3.2 – Phân bố của các CLB trong FPGA
Các CLB được phân bố theo hàng và theo cột, mỗi CLB được xác định
bằng một tọa độ X và Y trong ma trận. Đối với Spartan 3E thì số lượng hàng
thay đổi từ 22 đến 76, số lượng cột từ 16 đến 56 tùy thuộc vào các linh kiện

cụ thể.
a. SLICE:
Mỗi CLB được tạo thành từ 4 slice và các slice này chia làm hai nhóm
trái và nhóm phải. Nhóm 2 slice bên trái có khả năng thực hiện các chức năng
logic và làm việc như phần tử nhớ nên được gọi là SLICEM (Slice Memory).
Nhóm hai slice bên phải chỉ thực hiện được các chức năng logic nên được gọi
là SLICEL (Slice Logic). Thiết kế như vậy xuất phát từ thực tế nhu cầu thực
hiện chức năng logic thường lớn hơn so với nhu cầu lưu trữ dữ liệu, do đó
việc hỗ trợ chỉ một nửa làm việc như phần tử nhớ làm giảm kích thước và chi
phí FPGA, mặt khác làm tăng tốc độ làm việc cho toàn khối.


18

Hình 3.3 – Bố trí slice bên trong một CLB
Cả hai thành phần SLICEM và SLICEL có chứa các thành phần để thực
thi các hàm logic, thuật toán và ROM:
·
·
·
·

LUT
Thành phần lưu trữ
Hai bộ mux mở rộng F5MUX và FiMUX
Logic nhớ và logic số học

Ngoài ra SLICEM hỗ trợ thêm hai RAM phân bố 16x1 gọi là RAM16 và
hai thanh ghi dịch 16 bit là SRL16 như hình 3.4.

Hình 3.4 – Phân bố tài nguyên trong SLICEM và SLICEL


19

Cấu trúc chi tiết của một slice được thể hiện ở hình 3.5.

Hình 3.5 – Cấu trúc của slice


20

Những đường gạch đứt thể hiện những kết nối tới các tài nguyên mà chỉ
SLICEM mới có, những đường gạch liền là những kết nối mà cả hai dạng
slice đều có.
b. Bảng tham chiếu LUT:

Hình 3.6 – Phân bố các LUT trên một slice
Bảng tham thiếu LUT được phân bố ở góc bên trên và bên dưới của slice
và được gọi tên tương ứng là G-LUT và F-LUT. Phần tử nhớ đóng vai trị là
đầu ra của các LUT được gọi tương ứng là flip-flop X (FFX) và flip-flop Y
(FFY). LUT là đơn vị logic và là tài nguyên logic cơ bản của FPGA, LUT có
khả năng được cấu trúc để thực hiện một hàm logic bất kỳ với bốn đầu vào.
Cấu trúc của LUT được thể hiện như sau:

Hình 3.7 – Cấu trúc LUT
LUT về cơ bản là một bộ chọn kênh 16 ngõ vào, các ngõ vào của LUT
A[3:0] đóng vai trị là tín hiệu chọn kênh, ngõ ra của LUT là đầu ra của bộ
chọn kênh. Khi cần thực hiện một hàm logic bất kỳ nào đó, một mảng nhớ
SRAM 16 bit được tạo ra để lưu trữ kết quả bảng sự thật của hàm, tổ hợp 16

giá trị của hàm tương ứng sẽ là các kênh chọn của khối chọn kênh. Khi làm
việc, tùy thuộc vào giá trị của A[3:0] mà đầu ra D sẽ nhận một trong số 16 giá


21

trị lưu trữ tương ứng trong SRAM. Bằng cách như vậy, một hàm logic bất kỳ
với bốn đầu vào và một đầu ra có thể thực hiện được trên LUT.
Hai LUT có trong SLICEM có thể được cấu trúc để làm việc như RAM
16x1 gọi là RAM phân tán hoặc được cấu trúc để làm việc như một thanh ghi
dịch 16 bit SHL16.
Các LUT có thể được kết hợp với nhau để thực hiện các hàm logic tùy
biến có số lượng đầu vào lớn hơn 4 thông qua các bộ chọn kênh mở rộng. Ở
các thế hệ FPGA sau này, nguyên lý làm việc của LUT vẫn không thay đổi
nhưng số lượng đầu vào có thể nhiều hơn.
1.3.3. Phương pháp lập trình
a.Phần tử nhớ:
Phần tử nhớ có trong CLB là FFX và FFY có thể được cấu hình để làm
việc như D flip-flop hoặc chốt, làm việc với các tín hiệu điều khiển clock
hoặc khơng có clock, vì vậy cấu trúc của phần tử nhớ trong FPGA phức tạp
hơn so với cấu trúc của D flip-flop thông thường. Các đầu ra QX và QY của
các phần tử nhớ cũng là các đầu ra của slice. Trong phần lớn các ứng dụng
thường gặp thì phần tử nhớ được cấu trúc để làm việc như D flip-flop có xung
clock.
b.Bộ chọn kênh mở rộng:
Trong cấu trúc của slice có chứa hai bộ mux đặc biệt gọi là bộ mux mở
rộng F5MUX và FiMUX.

Hình 3.8 – FiMUX và F5MUX

22

Mỗi LUT được thiết kế để có thể thực hiện được mọi hàm logic bốn đầu
vào. Mục đích của các bộ chọn kênh này là tăng tính linh động của FPGA
bằng cách kết hợp các phần tử logic chức năng như LUT, chuỗi bit nhớ, thanh
ghi dịch, RAM phân tán ở các slice, các CLB khác nhau để tạo ra các hàm tùy
biến với nhiều đầu vào hơn.

Hình 3.9 – Cấu tạo của F5MUX
Bảng sự thật của bộ F5MUX được thể hiện chi tiết trong bảng 3.2.
Bảng 3.2 – Bảng sự thật bộ F5MUX
S
0
0
1
1

Ngõ vào
I0
1
0
X
X

Ngõ ra
I1
X
X
1

0

O
1
0
1
0

LO
1
0
1
0

Tương tự như vậy, có thể thành lập các hàm với số lượng đầu vào lớn
hơn bằng bộ FiMUX tương ứng có F6MUX, F7MUX, F8MUX.
1.4. Cài đặt sử dụng phần mềm
1.4.1. Những yêu cầu với máy tính PC
Spartan 3E cũng như trong các FPGA thế hệ sau này đều được tích hợp
các chuỗi bit nhớ (carry chain) và các chuỗi số học (arithmetic chain) đặc biệt,
các chuỗi này kết hợp với các LUT được sử dụng tự động hầu hết trong các
phép toán số học thường gặp như cộng, trừ, nhân, góp phần rất lớn vào việc
tăng tốc cho các phép toán này, đồng thời thiết kiệm tài nguyên logic (LUT).
Các chuỗi này được tạo thành bằng các khối chọn kênh và các cổng logic
riêng biệt, các phần tử đó cũng có thể được sử dụng độc lập để thực hiện các
hàm logic đơn giản khác.
Chuỗi bit nhớ thường gặp trong phép toán cộng, với mỗi slice chuỗi bit
nhớ được bắt đầu từ tín hiệu CIN và kết thức ở COUT. Các chuỗi đơn lẻ trong
có thể được nối trực tiếp giữa các CLB với nhau để tạo thành các chuỗi dài
hơn theo yêu cầu. Mỗi một chuỗi bit nhớ này có thể được bắt đầu tại bất kỳ

một đầu vào BY nào của các slice.


23

Các chuỗi số học logic bao gồm chuỗi thực hiện hàm XOR với các cổng
XORG, XORF phân bố ở phần trên và phần dưới của slice, chuỗi AND với
các công GAND, FAND. Các chuỗi này kết hợp với các LUT để thực hiện
phép nhân hoặc tạo thành các bộ đếm nhị phân.

Hình 3.10 – Chuỗi bit nhớ
Việc sử dụng các chuỗi này sẽ tối ưu hóa tài nguyên và tăng tốc độ cho
FPGA. Thiết kế điển hình của bộ cộng 1 bit FULL_ADDER trên FPGA được
thể hiện như trong hình 3.11, và bộ nhân trong hình 3.12.

Hình 3.11- Sơ đồ logic của bộ cộng 1 bit FULL_ADDER trên
FPGA